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现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2013 Vol 29 No 4 772 凉味剂薄荷基甲酸乙二醇酯的合成 陈义坤 1 郭春生2 岳海波1 王娟1 刘华臣1 张峻松2 1 湖北中烟工业有限责任公司烟用植物应用研究行业重点实验室 湖北武汉 430040 2 郑州轻工业学院食品与生物工程学院 河南郑州 450002 摘要 为合成得到新型凉味剂薄荷甲酸乙二醇酯 并对其凉感进行感官评价 以薄荷基甲酸和氯乙醇为原料 用薄荷基甲酸与 Na2CO3成盐 吡啶为溶剂和相催化剂 亲和取代反应制得薄荷基甲酸乙二醇酯 确定优化条件为 n 薄荷基甲酸 n 氯乙醇 1 1 5 n 薄荷甲酸 n 碳酸钠 1 1 n 薄荷甲酸 n 吡啶 1 17 反应温度为 100 反应时间 4 h 收率达 86 41 目标化合物 经过 IR 1HNMR 及MS对其结构进行了鉴定 薄荷基甲酸乙二醇酯具有较好生理凉感 味觉凉感阈值为 1 4 g mL 关键词 薄荷甲酸 乙二醇 合成 凉味剂 文章篇号 1673 9078 2013 4 772 774 Synthesis of Cooling Agent 2 hydroxyethyl P menthane 3 carboxylate CHEN Yi kun1 GUO Chun sheng2 YUE Hai bo1 WANG Juan1 LIU Hua chen1 ZHANG Jun song2 1 Key laboratory of applied research on natural plant for tobacco China Tobacco Hubei Industrial Co Ltd Wuhan 430040 China 2 School of Food and Bioengineering Zhengzhou University of light Industry Zhengzhou 450002 Abstract In this research 2 hydroxyethyl p menthane 3 carboxylate was synthesized and its sensory quality was evaluated Sodium carboxylate were obtained by reaction of menthyl formic acid and Na2CO3 Then using pyridine as reaction medium 2 hydroxyethyl p menthane 3 carboxylate was synthesized by nucleophilic substitution reaction of menthyl formic acid and 2 chloro 1 ethanol The optimum reaction conditions were as follows n 3 methyl 4 oxooctanoic acid n 2 chloro 1 ethanol 1 1 5 n 3 methyl 4 oxooctanoic acid n Na2CO3 1 1 n 3 methyl 4 oxooctanoic acid n pyridine 1 17 reaction time 4 h and reaction temperature 100 under which the total product yield was 86 41 The structure of theproduct was characterized by IR 1HNMR and MS Sensory evaluation showed that its cooling threshold value was 1 4 g mL Key words menthyl formic acid ethylene glycol synthesis cooling agent 凉味剂在食品行业 日化工业 烟草工业等领域 是一类重要的有机原料 已成为人们日常生活中必不 可少的添加剂 特别是口香糖 卷烟 食品和护肤品 等更是离不开凉味剂 而且从目前国内外的食品工业 化妆品工业和医药工业来看 市场对凉味剂的需求逐 年增加 1 2 L 薄荷醇是人们熟悉的传统凉味剂 具有 凉度强 阈值低及价格低廉等优点 3 4 但 L 薄醇也 有很多不足如易挥发 凉感持续时间短 并带有苦味 从而影响了 L 薄荷醇在一些领域的应用 5 7 因此香 料化学工作者在过去的几十年中一直在寻找薄荷脑的 替代产品或衍生产品 薄荷基甲酸乙二醇酯就是一种新型薄荷醇衍生新 型凉味剂 其清凉效果与 L 薄荷醇相当且凉感更持 久 但仅有一篇有关其合成研究方面的专利 8 报道 其合成方法为薄荷酰氯和乙二醇混合在室温下搅拌反 应制得 这一路线副产物多 收率低 羧酸盐与卤代 收稿日期 2012 12 09 作者简介 陈义坤 1975 男 博士 工程师 从事烟草基础技术研究 烃在相转移催化剂作用下反应是合成酯类化合物的重 要方法 国内外许多学者进行了该方面的研究 9 10 本研究以薄荷基甲酸和氯乙醇为原料 用薄荷基甲酸 与 Na2CO3成盐 吡啶为溶剂 制得薄荷基甲酸乙二 醇酯 并测定其凉感阈值 旨在为该新型凉味剂的应 用研究提供理论基础 1 材料与方法 1 1 材料与试剂 吡啶 AR 天津市科密欧化学试剂有限公司 氯 乙醇 AR 天津市光复精细化工研究所 Na2CO3 AR 天津市光复精细化工研究所 薄荷基甲酸 自制 11 GC MS 检测纯度 98 1 2 仪器与设备 Heidolph MR 3001 型磁力搅拌器 德国 Heidolph Instrument公司 Agilent GC6890 MS5973N 型气相色 谱 质谱仪 美国 Agilent 公司 Thermo Nicolet Avatar370 型红外光谱分析仪 美国 Thermo Nicolet 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2013 Vol 29 No 4 773 公司 Bruker Avance AMX 400型核磁共振仪 德国 Bruker 公司 1 3 薄荷基甲酸乙二醇酯的合成 图 1 薄荷基甲酸乙二醇酯的合成路线 Fig 1 Synthetic routes for 2 hydroxyethyl p menthane 3 carboxylate 三口烧瓶加入氯乙醇 1 mL 0 015 mol Na2CO31 50 g 0 015 mol 薄荷甲酸 1 84 g 0 01 mol 5 mL 0 05 mol 蒸馏水和 20 mL 0 17 mol 吡啶 升温到 100 加热搅拌 4 h 反应结束加入 30 mL蒸 馏水 每次用 3 20 mL 的乙醚萃取 无水 Na2SO4干 燥 通过减压蒸馏 收集 156 280 Pa 的组分 得 3 96 g 油状产物 收率为 86 41 1 4 薄荷基甲酸乙二醇酯的凉感评价 12 13 以乙醇为溶剂 分别配制浓度为 0 5 0 8 0 9 1 0 1 1 1 2 1 5 g mL的薄荷基甲酸乙二醇酯溶液 分别将 5 mm2的滤纸在上述不同浓度的溶液中浸泡 5 min 然后取出滤纸使溶剂完全挥发 以 9 个人为小 组 男女比例为 5 4 分别用浸渍滤纸条放入口中的 方法记录小组中每个人可以感觉到该化合物的凉感所 对应的最低浓度 所取的平均值为薄荷甲酸乙二醇酯 的阈值 2 结果与讨论 2 1 反应条件对收率的影响 实验用单因子变量法讨论反应物投料比 反应时 间 反应温度 溶剂的选择对目标产物对收率的较大 的影响 通过实验对这些反应条件进行优化 2 1 1 氯乙醇与薄荷基甲酸的投料比对反应结果的影 响 表 1 反应物投料比对收率的影响 Fig 1 Effect of mole ratio of reactants on yield of product 氯乙醇 薄荷基甲酸 摩尔比 1 1 1 1 2 1 1 5 1 1 8 收率 64 65 77 84 86 41 87 36 固定加入薄荷甲酸为 1 84 g 0 01 mol Na2CO3 1 50 g 0 015 mol 蒸馏水 5 mL 0 05 mol 和 20 mL 0 17 mol 无水吡啶 反应温度为 100 搅拌 4 h 氯乙醇与薄荷基甲酸的摩尔比分别为 1 1 1 1 2 1 1 5 1 1 8 考查投料比对收率的影响 结果见表 1 可以 看出 随着氯乙醇用量的增加 产品收率也随之增加 当薄荷基甲酸与氯乙醇的用量摩尔比为 1 8 时 产品 收率达 87 36 同时结果也显示 当薄荷基甲酸与氯 乙醇的摩尔比为 1 1 5 1 1 8 时 收率增加的趋势明显 减缓 所以从产品质量和经济成本考虑 选择投料比 在 1 1 5 摩尔比是较为合适的 2 1 2 反应温度对反应结果的影响 表 2 反应温度对收率的影响 Fig 2 Effect of mole reaction time on yield of product 温度 60 80 100 120 收率 74 53 80 45 86 73 83 21 在上述选定的反应条件下 只改变反应温度的反 应结果见表 2 发现反应在低温下反应收率较低 在 回流温度 100 反应速度较快 收率较高 达到 86 73 温度继续升高 收率反而降低 可能是由于 氯乙醇脱离体系 抑制了反应 确定反应温度为 120 2 1 3 反应时间对反应结果的影响 表 3 反应时间对收率的影响 Fig 3 Effect of reaction temperature on yield of product 时间 1 1 1 1 2 1 1 5 1 1 8 收率 64 65 77 84 86 41 87 36 固定以上条件 只改变反应时间 考查反应时间 对收率的影响 结果见表 3 从表 3 数据看出 若反 应时间小于 4 h 则酯化反应为充分 收率较低 4 h 为最佳反应时间 收率达到 86 29 时间超过 5 h 收 率反而下降 可能是发生了水解副反应 最终确定还 原反应时间为 4 h 2 2 产品结构表征 合成的目标化合物均经过熔点 IR 1HNMR 及 MS 对其结构进行了鉴定 鉴定结果如下 图 2 薄荷基甲酸乙二醇酯的红外吸收光谱图 Fig 2 Effect of reaction temperature on product yield 薄荷基甲酸乙二醇酯的结构表征 1H NMR 0 79 0 81 d 3H CH3 0 89 0 92 t 6H CH2 3 0 96 1 05 m 2H CH2 1 18 1 24 m 1H H 1 32 1 36 m 1H CH CH3 2 1 50 1 54 t 1H OH 1 62 1 66 m 2H CH2CH2 1 83 1 87 m 2H 现代食品科技 Modern Food Science and Technology 2013 Vol 29 No 4 774 CH2CH2 2 19 2 21 m 1H H 2 32 2 36 m 1H H 3 80 3 84 m 2H CH2 20 4 224 m 2H CH2 IR cm 1 3449 0 OH 1733 0 COO 1387 1 1369 7 CH CH3 2 2872 3 CH3 MS m z 228 M 图 3 薄荷基甲酸乙二醇酯的 1H NMR 谱图 Fig 3 Effect of reaction time on product yield 2 3 薄荷基甲酸乙二醇酯的合成 薄荷基甲酸乙二醇酯合成经成盐 酯化两个反应 过程一锅法而制备 其反应原理是亲核取代反应 首 先用薄荷基甲酸与 Na2CO3成盐 氯乙醇与吡啶结合 成离子液体 离子液体兼有有机和无机溶剂类似的溶 解性一方面作为反应溶剂 同时也作为相转移催化剂 催化酯化反应 氯乙醇与吡啶形成 1 羟乙基吡啶盐酸 盐 可携带氯乙醇从有机相向无机相的转化 其反应 机理如下 图 4 薄荷基甲酸乙二醇酯的合成机理 Fig 4 The formation mechanism of 2 hydroxyethyl p menthane 3 carboxylate 2 4 薄荷基甲酸乙二醇酯的凉感评价 为了表明薄荷基甲酸乙二醇酯凉感效果 用不同 浓度浸渍的滤纸条放入口中的方法测得薄荷基甲酸乙 二醇酯的阈值为 1 4 g mL 没有强烈的薄荷味 不带 苦涩 并且凉感持续时间较长 100 g mL的薄荷基 甲酸乙二醇酯溶液能在口中维持约 25 28 min 是薄 荷醇的 2 3 倍 表明该化合物作为新型凉味剂具有较 好的凉感 结果见表 4 表 4 薄荷基甲酸乙二醇酯凉感效果评价结果 Table 4 The cooling effect evaluation of p menthane 3 carboxylate 组员 1 2 3 4 5 6 7 8 9 平均 值 相对标准 偏差 阈值 mg mL 1 4 1 4 1 3 1 5 1 4 1 4 1 5 1 4 1 4 1 4 4 29 持续时间 min 26 27 26 25 28 27 28 27 26 26 67 3 75 由以上结果可知 该方法评价的凉感阈值和持续 时间相对标准偏差均小于 5 说明该方法的评价是 准确的 3 结论 3 1 以薄荷基甲酸和氯乙醇为原料 用薄荷基甲酸与 Na2CO3成盐 吡啶为溶剂和相催化剂 制得薄荷基甲 酸乙二醇酯 确定优化条件为 n 薄荷基甲酸 n 氯乙 醇 1 1 5 n 薄荷甲酸 n 碳酸钠 1 1 n 薄 荷甲酸 n 吡啶 1 17 反应温度为100 反应 时间为 4 h 收率达 86 41 本方法一步得到目标产 物 具有操作简单 产率高等优点 3 2 合成的薄荷基甲酸乙二醇酯具有较好生理凉感 味觉凉感阈值为 1 4 g mL 并且凉感持续时间明显优 于薄荷醇 参考文献 1 Watson H R Rowsell D G Spring D J N substituted paramenthane carboxamides P US 4150052 1979 04 17 2 Watson H R Hems D G Roswell D J Spring New compounds with the menthol cooling effect J Journal of the Society of Cosmetic Chemists 1978 29 185 200 3 孙宝国 何坚 香料化学与工艺学 M 北京 化学工业出版 社 2004 4 郑昌戈 刘煊业 喻晓蔚 等 l 薄荷醇的合成研究进展 J 化 工进展 2011 30 10 2276 2280 5 Mark Erman Progress in physiological cooling agents J Perfumer Flavoris 2004 29 6 34 50 6 吴齐林 李庆延 肖友检 凉味剂的研究进展 J 香料香精 化妆品 2008 12 6 33 39 7 Heck J D A review and assessm ent of menthol employed as a cigarette flavoring ingredient J Food Chem Toxicol 2010 48 2 1 38 8 H R Watson D G Rowsell D J Spring N substituted para